เนื้อหาวันที่ : 2012-02-20 10:41:31 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 11568 views

ความถูกต้องของวิธีวัดการไหลด้วยออริฟิส (Error in Orifice Flow Meter)

การไหลเป็นตัวแปรที่สำคัญอีกตัวแปรหนึ่งในการควบคุมกระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ การวัดค่าการไหลให้มีความถูกต้องมากที่สุดเป็นสิ่งที่ต้องการสำหรับผู้ใช้งานส่วนใหญ่

ทวิช ชูเมือง

          การไหลเป็นตัวแปรที่สำคัญอีกตัวแปรหนึ่งในการควบคุมกระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ การวัดค่าการไหลให้มีความถูกต้องมากที่สุดเป็นสิ่งที่ต้องการสำหรับผู้ใช้งานส่วนใหญ่ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่ผู้กำหนดรายละเอียดหรือเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลต้องให้ความสำคัญเป็นลำดับต้น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างด้วยแผ่นออริฟิส ซึ่งมีตัวแปรหลายตัวที่ต้องมีการนำมาพิจารณาร่วมด้วยในการเลือกใช้

บทความนี้จะมาพิจารณาค่าความสามารถของย่านการวัด (Range Ability) หรือค่า Turn Down Ratio ที่มีผลต่อค่าความถูกต้องของการวัดสำหรับเครื่องมือวัดการไหลด้วยออริฟิส แสดงค่าความผิดพลาดในการวัดที่เกิดขึ้น นอกจากนั้นยังแสดงตัวอย่างปัญหาในการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างด้วยแผ่นออริฟิส

การคำนวณความถูกต้องของเครื่องมือวัด
          ค่าความถูกต้องที่ถูกกำหนดให้กับเครื่องมือวัดเป็นค่าความผิดพลาดหรือความไม่ถูกต้องของการวัดใด ๆ ที่เกิดจากเครื่องมือวัด ซึ่งจะอยู่บนการสมมุติฐานที่ว่าเครื่องมือวัดทำงานอยู่ภายในรายละเอียดที่กำหนด

          การคำนวณค่าความผิดพลาดจะมีความซับซ้อน ถ้ามีการพิจารณาเครื่องมือวัดต่อกันหลาย ๆ ตัวหรือระบบที่มีเครื่องมือวัดมากกว่าหนึ่งตัว

          ในการแสดงการคำนวณต่อไปนี้จะใช้เครื่องมือวัดที่มีสัญญาณเอาต์พุตเป็น  0–10 โวลต์แทน 0–100 เปอร์เซ็นต์ เพื่อให้ง่ายต่อการคำนวณ
 
เครื่องมือวัดที่เป็นเชิงเส้นแบบอนุกรม (Linear Devices in Series)
          เครื่องมือวัดที่ให้ค่าสัญญาณเป็นเชิงเส้นกับค่าตัวแปรที่วัด ดังเช่น เครื่องมือวัดความดัน, เครื่องมือวัดอุณหภูมิ โดยสัญญาณเอาต์พุตของเครื่องมือวัดเหล่านี้จะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นอัตราส่วนคงที่ระหว่างอินพุตและเอาต์พุต หรือมีอัตราขยายคงที่ (Constant Gain) ตลอดย่านการทำงาน แสดงได้ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 เครื่องมือวัดแบบเชิงเส้น

          สำหรับค่าความผิดพลาดของเครื่องมือวัดแบบนี้ที่ถูกนำมาต่อใช้งานกันแบบอนุกรม ผลรวมค่าความผิดพลาดจะได้จากการนำมาค่าความผิดพลาดของแต่ละตัวมาคูณกัน แสดงได้ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 เครื่องมือวัดเชิงเส้นแบบอนุกรม

          จากรูปที่ 2 ถ้าเครื่องมือวัดตัวที่ 1 มีสัญญาณอินพุตเป็น 5 โวลต์และมีค่าความถูกต้องเป็น 1 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นความผิดพลาดของสัญญาณเอาต์พุตจากเครื่องมือวัดตัวที่ 1 จะได้เป็น 4.95 โวลต์ ถึง 5.05 โวลต์
          เมื่อ 5.05 โวลต์ = 5 โวลต์ x 1.01
          และ 4.95 โวลต์ = 5 โวลต์ x 0.99
          เมื่อเครื่องมือวัดตัวที่ 2 รับสัญญาณอินพุตเป็น 5.05 โวลต์และมีค่าความถูกต้องเป็น 5 เปอร์เซ็นต์

          ดังนั้นความผิดพลาดของสัญณาณเอาต์พุตจากเครื่องมือวัดตัวที่ 2 จะได้เป็น 4.7025 โวลต์ ถึง 5.3025 โวลต์
          เมื่อ 5.3025 โวลต์ = 5.05 โวลต์ x 1.05
          และ 4.7025 โวลต์ = 4.95 โวลต์ x 0.95

          ค่าความผิดพลาดรวมของค่าสัญญาณเอาต์พุตจากเครื่องมือวัดทั้งสองจะได้เป็น 5 โวลต์ x ความผิดพลาดของเครื่องมือวัดตัวที่ 1 x ความผิดพลาดของเครื่องมือวัดตัวที่ 2
           = 5 โวลต์ x 1.01 x 1.05
          = 5 โวลต์ x 1.0605
          = 5.3025 โวลต์
          เพราะฉะนั้นค่าความผิดพลาดโดยรวมของระบบจะเป็น (0.3025/5) x 100 = 6.05 เปอร์เซ็นต์

เครื่องมือวัดที่ไม่เป็นเชิงเส้น (Non Linear Devices)
          เครื่องมือวัดที่ให้ค่าสัญญาณที่ไม่เป็นเชิงเส้นกับค่าตัวแปรที่วัด ดังเช่น เครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่าง โดยสัญญาณเอาต์พุตที่เป็นความดันแตกต่างจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นอัตราส่วนไม่คงที่ระหว่างอินพุตและเอาต์พุต ตลอดย่านการทำงาน แสดงได้ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 เครื่องมือวัดแบบไม่เป็นเชิงเส้น

          เครื่องมือวัดแบบไม่เป็นเชิงเส้นที่มีใช้ในการวัดตัวแปรทางกระบวนการผลิต จะเป็นเครื่องมือวัดการไหลด้วยเครื่องมือวัดความดันแตกต่าง (Differential Pressure Devices) ค่าการไหลที่ได้มาจากเครื่องมือวัดประเภทนี้จะถูกคำนวณมาจากรากที่สอง (Square root) ของค่าความดันแตกต่างที่วัดได้ ความผิดพลาดของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างจะมีผลกระทบต่อการคำนวณการไหล แสดงได้ดังรูปที่ 4 ส่วนรูปที่ 5 จะเป็นรูปแบบที่นำไปใช้ในการคำนวณค่าความผิดพลาดของการวัดอัตราการไหลแบบแผ่นออริฟิส

รูปที่ 4 การวัดการไหลด้วยเครื่องมือวัดความดันแตกต่าง

รูปที่ 5 การคำนวณค่าความถูกต้องโดยรวม

การคำนวณค่าความถูกต้องจะใช้ตามรูปที่ 3 และจะได้ค่าตัวแปรต่าง ๆ ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่าตัวแปรที่ได้จากการคำนวณ

          จากตารางที่ 1 รายละเอียดของตัวแปรในแต่ละแถวจะเป็นดังนี้
แถวแนวตั้งที่ 1, Actual Flow f (%) 
          เป็นปริมาณการไหลจริงที่ไหลผ่านเครื่องมือวัด โดยมีค่าการไหลเป็น เปอร์เซนต์

แถวแนวตั้งที่ 2, Actual Flow df (0 – 1.0) 
          เป็นปริมาณการไหลที่เปลี่ยนเป็นจำนวนเต็มเพื่อให้ง่ายต่อการคำนวณ

แถวแนวตั้งที่ 3, Change in dP, dDP
          เป็นค่าความดันแตกต่าง (dP) ที่วัดได้ในแต่ละค่าปริมาณการไหล จะถูกคำนวณจากการไหลได้จากสมการดังนี้
                    dP = f2
          ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของค่าความดันแตกต่างถูกจะแสดงได้ดังนี้
                    dDP = 2f.df

แถวแนวตั้งที่ 4, Change in Transmitted Signal, dh
          เป็นสัญญาณความดันแตกต่างที่ได้จากแผ่นออริฟิสรวมเข้ากับค่าความผิดพลาดของเครื่องมือวัดที่ถูกส่งออกมา ในตัวอย่างนี้จะใช้ค่าความผิดพลาดของเครื่องมือวัดมีค่าเป็น 0.25 เปอร์เซนต์ ดังนั้น
                    dh = dDP

อย่างไรก็ตามเมื่อค่าความผิดพลาดของเครื่องมือวัดจะต้องถูกรวมเข้าไป จะได้เป็นสมการดังนี้
                    dh = SQRT (dDP2 + e2)

แถวแนวตั้งที่ 5, Change in Calculated Flow, dSQRT (h)
          เป็นค่าการเปลี่ยนแปลงของปริมาณการไหลที่ถูกคำนวณ จะได้สมการเป็นดังนี้
                    dSQRT (h) = dh/2f

แถวแนวตั้งที่ 6, Error in calculated flow
          เป็นค่าความผิดพลาดที่ได้จากการคำนวณค่าปริมาณการไหล

          ถ้าไม่มีความผิดพลาดในเครื่องมือวัด (e = 0) ดังนั้น ค่าแถวแนวตั้งที่ 2 ควรจะเท่ากับค่าแถวแนวตั้งที่ 5 ค่าที่แตกต่างกันเนื่องมาจากความผิดพลาดของเครื่องมือวัด และจะเห็นได้ว่าค่าที่ได้จากการวัดของเครื่องมือวัดประเภทนี้จะมีความผิดพลาดสูง เมื่อมีค่าการไหลต่ำ ๆ

Range Ability (Turndown) 
          เป็นอัตราส่วนของย่านการวัดสูงสุดกับย่านการวัดต่ำสุดของเครื่องมือวัดที่ยังคงให้สัญญาณเอาต์พุตมีค่าเป็นเชิงเส้น ถ้าเครื่องมือวัดความดันชนิดหนึ่งมีย่านการวัดความดันที่ 0–100 psig แต่สามารถนำไปวัดค่าความดันต่ำสุดได้ที่ 5 psig โดยยังคงให้สัญญาณเอาต์พุตยังคงมีค่าเอาต์พุตเป็นเชิงเส้นและมีค่าความถูกต้องอยู่ในค่าที่แสดงอยู่ในรายละเอียดที่กำหนด

แสดงว่าเครื่องมือวัดความดันตัวนี้มีค่า Range Ability เท่ากับ 20:1 นั่นคือไม่สามารถนำเครื่องมือวัดความดันชนิดนี้ไปวัดความดันที่ต่ำกว่า 5 psig ได้เพราะจะทำให้สัญญาณเอาต์พุตที่ได้มีค่าความผิดพลาดสูง แต่ถ้าเครื่องมือวัดความดันตัวนี้มีค่า Range Ability เท่ากับ 5:1 นั่นก็หมายความว่า ค่าความดันต่ำสุดที่เครื่องมือวัดสามารถอ่านค่าได้อย่างถูกต้องจะได้เท่ากับ 100/5 = 20 psig

ตัวอย่างย่านการวัด 
          ถ้าต้องการนำเครื่องมือวัดความดันแตกต่าง (Differential Pressure Transmitter) ไปใช้วัดอัตราการไหลของเหลวในท่อร่วมกับแผ่นออริฟิส เมื่ออัตราการไหลของเหลวในท่อเท่ากับ 0% จะมีค่าความดันแตกต่างเท่ากับ 0 mbar และถ้าอัตราการไหลของเหลวในท่อเท่ากับ 100% จะมีค่าความดันแตกต่างเท่ากับ 250 mbar โดยเครื่องมือวัดความดันแตกต่างที่เลือกใช้มีย่านการวัดตั้งแต่ –400 mbar ถึง 400 mbar และมีช่วงการวัดกำหนดได้ตั้งแต่ 4 ถึง 400 mbar ค่าการวัดที่กำหนดให้เครื่องมือวัดจะเป็นดังนี้

          * ย่านการวัด (Instrument Range)   = -400 ถึง +400 mbar (ข้อมูลจากผู้ผลิต)
          * ช่วงการวัดที่ทำได้ (Span)   = 4 ถึง 400 mbar (ข้อมูลจากผู้ผลิต)
          * Turn Down สูงสุด    = (400/4) = 100 : 1 (ข้อมูลจากผู้ผลิต)
          * ย่านการวัดใช้งาน (Calibrated Range)  = 0 ถึง 250 mbar (กำหนดโดยผู้ใช้งาน)
          * ช่วงการวัดใช้งาน (Calibrated Span)  = 250 mbar (กำหนดโดยผู้ใช้งาน)
          * ค่าการวัดต่ำสุดของย่านการวัดใช้งาน (Zero) = 0 mbar
          * ค่าการวัดสูงสุดของย่านการวัดใช้งาน   = 250 mbar
          * Turn Down ใช้งาน    = (400/250) = 1.6 : 1 (ข้อมูลที่ใช้งาน)

          จากข้อมูลทั้งหมดจะเห็นได้ว่าเครื่องมือวัดตัวนี้สามารถอ่านค่าได้อย่างถูกต้องที่ระดับตั้งแต่ 1.6% ขึ้นไป แสดงเป็นไดอะแกรมค่าต่าง ๆ ของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างที่นำไปใช้งาน ได้ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 ไดอะแกรมค่าต่าง ๆ ของเครื่องมือวัดความดันแตกต่าง

แผ่นออริฟิส
          การวัดการไหลด้วยแผ่นออริฟิสจะเป็นการวัดค่าความดันแตกต่างที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นออริฟิสเมื่อมีการไหลผ่าน แผ่นออริฟิสมีลักษณะเป็นแผ่นโลหะที่มีรูไว้สำหรับให้ของไหลผ่าน ในการติดตั้งจะถูกติดตั้งอยู่ระหว่างหน้าแปลน (Orifice Flange) ของท่อในลักษณะตั้งฉากกับกระแสการไหล เนื่องจากมีการจัดทำได้ง่ายและมีราคาถูก จึงทำให้มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลาย ดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 การติดตั้งแผ่นออริฟิส

          ความแตกต่างของความดันที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นออริฟิสนี้จะเป็นสัดส่วนแบบรากที่สอง กับอัตราการไหล ซึ่งสามารถแสดงได้เป็นสมการดังนี้

           ………………….. (1)

          เมื่อ Q = อัตราการไหลของของไหลที่สภาวะการทำงาน
                P = ความดันแตกต่างของความดัน
                   = ความหนาแน่นของของไหลที่สภาวะทำงาน
                  K = ค่าสัมประสิทธิ์ของตัว Primary Element
     
          เนื่องจากแผ่นออริฟิสมีย่านการวัดที่เป็นความดันแตกต่างที่เกิดจากการไหลผ่านรูของแผ่นออริฟิส ซึ่งไม่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าความดันแตกต่างจากการไหลได้ จากหัวข้อที่ผ่านมาได้แสดงให้เห็นว่า เมื่อการไหลมีค่าต่ำ ๆ จึงทำให้มีค่าที่วัดได้จากเครื่องมือวัดมีความผิดพลาดได้สูง

ความเป็นเชิงเส้น
          จากสมการที่ (1) จะเห็นได้ว่าค่าอัตราการไหลที่ได้จากแผ่นออริฟิสจะเป็นสัดส่วนกับรากที่สอง (Square Root) ของความดันแตกต่างจากแผ่นออริฟิส ดังนั้นค่าความดันแตกต่างที่ได้จากการไหล จึงไม่เป็นเชิงเส้นเหมือนเครื่องมือวัดประเภทอื่น ๆ แสดงสัญญาณที่ได้เทียบกับเปอร์เซ็นต์การไหลดังรูปที่ 8

รูปที่ 8 Squared Flow Signal และ สเกลแบบต่าง ๆ

          จากรูปที่ 8 จะเห็นได้ว่าที่ค่าอัตราการไหลต่ำ ๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงของความดันแตกต่างเพียงเล็กน้อย แต่ที่อัตราการไหลสูง ๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงของความดันมากตามไปด้วย ดังตัวอย่างเช่น ที่อัตราการไหล 0-10% ความดันแตกต่างจะเปลี่ยนแปลงจาก 0–1 % ถ้าอัตราการไหล 90–100% ความดันแตกต่างจะเปลี่ยนแปลงจาก 81–100 %

          จากข้อจำกัดความไม่เป็นเชิงเส้นของเครื่องมือวัดไหลแบบออริฟิสจึงทำให้มีค่า Turn down ค่อนข้างต่ำในการนำไปใช้งาน ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่ผู้ใช้งานควรจะให้ความสำคัญเป็นลำดับแรก ๆ ในการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลประเภทนี้ สำหรับค่า Turn down ของเครื่องมือวัดการไหลประเภทต่าง ๆ สามารถค่าตัวอย่างได้ดังตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ตัวอย่างค่า Turn down ของเครื่องมือวัดการไหลประเภทต่าง ๆ [1]

          จากตารางที่ 2 จะสังเกตเห็นได้ว่าเครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างเกือบทุกประเภทจะมีค่า Turn Down ที่ค่อนข้างต่ำกว่าเครื่องมือวัดการไหลประเภทอื่น และค่าในตารางที่ 2 จะเป็นเพียงค่าตัวอย่าง ซึ่งสามารถใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานในการเลือกประเภทเครื่องมือวัดเบื้องต้นได้ สำหรับค่าที่แน่นอนที่จะนำไปใช้งานของแต่ละเครื่องมือวัดสามารถสอบถามได้จากผู้ผลิต ซึ่งอาจจะสามารถทำได้ดีกว่าค่าตัวอย่าง

          เมื่อทำการเปรียบเทียบค่า Turn Down ของแผ่นออริฟิส และเครื่องมือวัดความดันแตกต่าง จะเห็นได้ว่า เครื่องมือวัดความดันแตกต่างจะมีค่า Turn Down ที่สูงกว่ามาก ดังนั้นข้อจำกัดในการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างจึงอยู่ที่การเลือกตัวแผ่นออริฟิส หรือ Primary Element

การเลือกใช้งานเครื่องมือวัดการไหลด้วยแผ่นออริฟิส
          กรณีศึกษาสำหรับการเลือกใช้งานเครื่องมือวัดการไหลด้วยแผ่นออริฟิสร่วมกับเครื่องมือวัดความดันแตกต่าง สามารถแสดงตัวอย่างได้เป็น 2 กรณีดังนี้

          ตัวอย่างที่ 1 ในการออกแบบกระบวนการผลิตใหม่ ที่ต้องการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลของ Naphtha ที่มีสถานะเป็นของเหลว (Liquid) มีอัตราการไหลต่ำสุดในช่วงเริ่มเดินเครื่อง (Start Up) มีค่าการไหลที่ 10 m3/hr, มีค่าอัตราการไหลในช่วงการทำงานปกติเท่ากับ 45 m3/hr และมีค่าอัตราการไหลสูงสุดเท่ากับ  70 m3/hr, ความดันทำงานที่ 13 BarG, อุณหภูมิทำงานที่ 90 DegC, ค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) เท่ากับ 0.921 และมีค่าความหนืด (Viscosity) เท่ากับ 1.2 cP โดยมีขนาดท่อเป็น 4 นิ้ว

          จากข้อมูลกระบวนการผลิตถ้าทำการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบออริฟิสจะเห็นได้ว่าจะมีค่า Turn Down ที่ใช้งานเกินกว่าข้อจำกัดของแผ่นออริฟิส เป็นดังนี้
          * Turn Down สูงสุด   = 4 : 1 (ตารางที่ 2) 
          * ค่าการไหลต่ำสุดที่วัดได้อย่างถูกต้อง  =  70/4 = 17.5 m3/hr
          * Turn Down ใช้งาน   = (70 / 10) = 7 : 1

          จากข้อมูลค่า Turn Down สูงสุดของแผ่นออริฟิสที่ใช้งานได้ จะเห็นว่าค่าอัตราการไหลที่แผ่นออริฟิสสามารถวัดค่าโดยยังคงมีค่าความถูกต้องอยู่ในค่าที่กำหนดหรือยอมรับได้จะเริ่มตั้งแต่ค่าอัตราการไหลที่ 17.5 m3/hr ขึ้นไป ซึ่งจะไม่ครอบคลุมค่าอัตราการไหลที่ต้องการในช่วงเริ่มเดินเครื่องที่ 10 m3/hr ดังนั้นอาจจะไม่เหมาะสมในการใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบแผ่นออริฟิสในลักษณะทั่วไป สำหรับการนำไปใช้งานในลักษณะแบบนี้ เพราะจะทำให้ไม่สามารถควบคุมค่าอัตราการไหลที่ช่วงเริ่มเดินเครื่องให้มีความถูกต้องได้เลย

          วิธีแก้ไขทางแรกก็อาจจะทำการพิจารณาเปลี่ยนไปใช้เครื่องมือวัดการไหลประเภทอื่น ๆ ที่มีค่า Turn Down มากกว่า 7:1 ดังเช่น Vortex Flow Meter, Mass Flow Meter เป็นต้น ซึ่งจากตัวอย่างในตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าเครื่องมือวัดการไหลที่พิจารณาเป็นทางเลือกจะมีค่า Turn Down มากกว่า 7:1

แต่ในบางครั้งการเลือกใช้เครื่องมือวัดประเภทดังกล่าวอาจจะไม่เหมาะสมในด้านค่าใช้จ่าย ในกรณีดังเช่น ถ้าใช้วัดอัตราการไหลที่ท่อขนาดใหญ่ ๆ มากกว่า 8 นิ้ว หรือ นำไปใช้กับท่อที่ทำมาจากวัสดุที่มีราคาสูง ดังเช่น Titanium หรือ Hastelloy ซึ่งจะเป็นผลทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงในการจัดหาเครื่องมือวัดประเภทดังกล่าว

          ทางเลือกที่สอง ยังคงใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบแผ่นออริฟิส แต่จะมีลักษณะพิเศษจากแบบทั่วไป โดยทำการติดตั้งร่วมกับเครื่องมือวัดความดันแตกต่างสองตัว โดยตัวแรกจะทำการปรับเทียบที่ย่านการวัดต่ำ (Low Range) เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลต่ำสุด และตัวที่สองจะทำการปรับเทียบที่ย่านการวัดสูง (High Range) เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลสูงสุด

นอกจากนั้นยังต้องทำการโปรแกรมการทำงานบนระบบควบคุมให้ทำการเลือกอ่านค่าอัตราการไหลตามการไหลที่ผ่านแผ่นออริฟิส เมื่อค่าอัตราการไหลอยู่ในช่วงต่ำ ๆ จะอ่านค่าจากเครื่องมือวัดความดันแตกต่างตัวแรกที่มีย่านการวัดต่ำ และเมื่อค่าอัตราการไหลที่มีค่าเกินกว่าย่านการวัดต่ำ ระบบควบคุมก็จะไปอ่านค่าจากเครื่องมือวัดความดันแตกต่างตัวที่สอง ก็จะทำให้ระบบควบคุมสามารถอ่านค่าอัตราการไหลได้ตลอดย่าน ตามความต้องการ ลักษณะการวัดแบบนี้ สามารถแสดงบนแผนภาพกระบวนการผลิตได้ดังรูปที่ 9

รูปที่ 9 เครื่องมือวัดการไหลแบบออริฟิสโดยใช้เครื่องมือวัดความดันแตกต่าง 2 ย่านการวัด

          เมื่อได้กำหนดรูปแบบที่ต้องการของเครื่องมือวัดแล้ว ขั้นตอนต่อจากนั้นต้องทำการคำนวณเพื่อหาย่านการวัดค่าความดันแตกต่างที่ต้องการจากแผ่นออริฟิสที่สภาวะการไหลค่าต่าง ๆ สำหรับนำไปกำหนดรายละเอียดของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างเป็นดังนี้

          * ย่านการวัดต่ำจะกำหนดให้มีย่านการวัดจาก 0–30 m3/hr เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลต่ำสุดที่ 10 m3/hr โดยยังมีค่า Turn Down อยู่ในช่วง 4:1 และค่าอัตราการไหลต่ำสุดที่วัดได้จะมีค่าเท่ากับ 30/4 = 7.5 m3/hr

          * ย่านการวัดสูงจะกำหนดให้มีย่านการวัดจาก 0–70 m3/hr เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลการทำงานปกติที่ 45 m3/hr โดยยังมีค่า Turn Down อยู่ในช่วง 4:1 และค่าอัตราการไหลต่ำสุดที่วัดได้จะมีค่าเท่ากับ 70/4 = 17.5 m3/hr ซึ่งในการทำงานอาจจะกำหนดให้ระบบควบคุมเริ่มอ่านค่าต่อเนื่องจากตัวที่หนึ่ง

          เมื่อได้กำหนดค่าย่านการวัดอัตราการไหลของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างที่ต้องการแล้ว ก็เริ่มดำเนินการคำนวณหาขนาดรูของแผ่นออริฟิส โดยต้องทำการคำนวณที่ย่านการวัดสูงก่อน เพื่อให้ได้ขนาดรูของแผ่นออริฟิสที่สามารถวัดค่าอัตราการไหลสูงสุดได้ แสดงได้ดังรูปที่ 10 จากนั้นนำค่ารูของแผ่นออริฟิสที่ได้ ไปคำนวณหาค่าความดันแตกต่างที่ย่านการวัดต่ำ แสดงได้ดังรูปที่ 11

รูปที่ 10 การคำนวณที่ย่านการวัดสูง เพื่อหาขนาดรูแผ่นออริฟิส

รูปที่ 11 การคำนวณที่ย่านการวัดต่ำ เพื่อหาค่าความดันแตกต่าง

          จากการคำนวณทั้งสองครั้งจะทำให้ได้ค่าย่านการวัดของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างที่ต้องการเป็นดังนี้
          * ย่านการวัดต่ำจะกำหนดให้มีย่านการวัดจาก 0–30 m3/hr และปรับเทียบย่านการวัดจาก  0–45.62  mBar
          * ย่านการวัดสูงจะกำหนดให้มีย่านการวัดจาก 0–70 m3/hr และปรับเทียบย่านการวัดจาก 0–250  mBar

          สำหรับการติดตั้งเครื่องมือวัดการไหลแบบนี้ก็จะเหมือนกับแบบทั่วไป เพียงแต่ต้องมีการติดตั้งเครื่องมือวัดความดันแตกต่างตัวที่สองขนานกันไป แสดงได้ดังรูปที่ 12

รูปที่ 12 การติดตั้งการวัดอัตราการไหลด้วยเครื่องมือวัดความดันแตกต่างแบบ 2 ตัว

          ตัวอย่างที่ 2 ในการปรับปรุงกระบวนการผลิตเก่า ที่มีเครื่องมือวัดการไหลแบบออริฟิสที่ใช้วัดการไหลของ Naphtha ที่มีสถานะเป็นของเหลว (Liquid) มีอัตราการไหลต่ำสุดในช่วงเริ่มเดินเครื่อง (Start Up) มีค่าการไหลที่ 10 m3/hr, มีค่าอัตราการไหลในช่วงการทำงานปกติเท่ากับ 20 m3/hr และมีค่าอัตราการไหลสูงสุดเท่ากับ  30 m3/hr, ความดันทำงานที่ 13 BarG, อุณหภูมิทำงานที่ 90 DegC, ค่าความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) เท่ากับ 0.921 และมีค่าความหนืด (Viscosity) เท่ากับ 1.2 cP โดยมีขนาดท่อเป็น 4 นิ้ว

          ในการปรับปรุงต้องการเพิ่มค่าอัตราการไหลสูงสุดเท่ากับ  70 m3/hr และมีค่าอัตราการไหลในช่วงการทำงานปกติเท่ากับ 40 m3/hr 

          จากข้อมูลกระบวนการผลิตที่ต้องการปรับปรุงมีความต้องการเพิ่มอัตราการไหลจากของเดิม ซึ่งเป็นผลทำให้มีค่า Turn Down ที่ต้องการใช้งานมีค่าสูงเกินกว่าข้อจำกัดของแผ่นออริฟิส เป็นดังนี้
          * Turn Down สูงสุด   = 4:1 (ตารางที่ 2) 
          * ค่าการไหลต่ำสุดที่วัดได้อย่างถูกต้อง  =  70/4 = 17.5 m3/hr
          * Turn Down ใช้งาน   = (70/10) = 7 : 1

          จะเห็นได้ว่าค่าอัตราการไหลที่แผ่นออริฟิสของเดิมไม่สามารถขยายให้ครอบคลุมค่าตัวแปรกระบวนการผลิตใหม่ได้ วิธีแก้ไขก็สามารถทำตามทางเลือกที่สองของตัวอย่างที่หนึ่ง โดยทำการติดตั้งเครื่องมือวัดความดันแตกต่างตัวที่สอง

โดยกำหนดให้เครื่องมือวัดตัวเดิมจะนำไปใช้งานที่ย่านการวัดต่ำ (Low Range) เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลต่ำสุด และตัวที่สองที่เพิ่มเติมเข้าไปจะทำการปรับเทียบที่ย่านการวัดสูง (High Range) เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลสูงสุด นอกจากนั้นยังต้องทำการโปรแกรมการทำงานบนระบบควบคุมให้ทำการเลือกอ่านค่าอัตราการไหลตามการไหลที่ผ่านแผ่นออริฟิสเหมือนกับตัวอย่างที่ 1 

          จากนั้นต้องทำการคำนวณย่านการวัดที่ต้องการสำหรับนำไปกำหนดรายละเอียดของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างเป็นดังนี้
          * ย่านการวัดต่ำจากข้อมูลเดิมมีย่านการวัดจาก 0–35 m3/hr และปรับเทียบย่านการวัดจาก 0–250 mBar และมีขนาดรูของแผ่นออริฟิสของเดิมเท่ากับ 51.65 mm

          * ย่านการวัดสูงจะกำหนดให้มีย่านการวัดจาก 0–70 m3/hr เพื่อให้ครอบคลุมค่าอัตราการไหลการทำงานปกติที่ 40 m3/hr โดยยังมีค่า Turn Down อยู่ในช่วง 4:1 และค่าอัตราการไหลต่ำสุดที่วัดได้จะมีค่าเท่ากับ 70/4 = 17.5 m3/hr

          เมื่อได้กำหนดค่าย่านการวัดของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างตัวที่สองแล้ว ก็เริ่มทำการคำนวณหาค่าความดันแตกต่างจากอัตราการไหลค่าไหล โดยใช้แผ่นออริฟิสเดิม โดยการคำนวณย่านการวัดต่ำของเดิม แสดงได้ดังรูปที่ 13 จากนั้นนำค่ารูที่ได้ ไปคำนวณหาค่าความดันแตกต่างที่ย่านการวัดสูง แสดงได้ดังรูปที่ 14

รูปที่ 13 การคำนวณย่านการวัดต่ำของเดิม

รูปที่ 14 การคำนวณที่ย่านการวัดสูง เพื่อหาค่าความดันแตกต่าง

          จากการคำนวณหาย่านการวัดของเครื่องมือวัดความดันแตกต่างตัวที่สองเป็นดังนี้
          * ย่านการวัดสูงจะกำหนดให้มีย่านการวัดจาก 0–70 m3/hr และปรับเทียบย่านการวัดจาก 0–1010 mBar

          ในการเลือกใช้งานจริง ผู้จัดทำรายละเอียดอาจจะปรับค่าความดันแตกต่างที่จะนำไปปรับเทียบเครื่องมือวัดทั้งสองตัวให้เหมาะสมกับมาตรฐานของผู้ใช้งานหรือรายละเอียดที่ใช้อ้างอิงในการออกแบบ

          จากรายละเอียดค่าความผิดพลาดและข้อจำกัดในด้านย่านการวัดของเครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างที่แสดงไปแล้วทั้งหมดข้างต้น ก็อาจใช้เป็นแนวทางในการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างได้อีกรูปแบบหนึ่ง เพื่อใช้เป็นทางเลือกในการออกแบบหรือเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลที่จะนำไปใช้กับการวัดที่มีค่า Turn Down สูง ๆ นอกจากนั้นยังแสดงให้เห็นได้ว่าการเลือกใช้เครื่องมือวัดการไหลแบบความดันแตกต่างด้วยแผ่นออริฟิสก็ยังมีข้อจำกัดในการเลือกใช้ที่ต้องพิจารณา ซึ่งไม่ได้เป็นชนิดพื้นฐานที่สามารถเลือกใช้งานได้ในทุก ๆ กรณี

เอกสารอ้างอิง
          [1] D.W. Spitzer, Flow Measurement, Instrument Society of America, 1991.

          [2] ทวิช ชูเมือง, Industrial Instrumentation Engineering and Design Part II, บริษัท ดวงกมลสมัย จำกัด, 2549.

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด